利用综合微生物指数评估富营养化危险沿海湿地生态状况 - 沿海生态系统健康监测

河海大学环境学院李轶课题组近期在《Science of the Total Environment》期刊上(IF=10.753)发表的“Eutrophication dangers the ecological status of coastal wetlands: A quantitative assessment by composite microbial index of biotic integrity.”研究论文中，建立了一个生物完整性综合微生物指数（CM-IBI）计算方法，包括细菌、古细菌和底栖微藻，用于沿海潮汐湿地的生态评估，揭示了湿地生态系统对主导压力因子的变化特征；确定压力因子对滨海潮滩湿地生态系统的作用途径。

: _+ }! T6 z7 J: A- {, U" v+ o

" m# v2 K, K. w/ I L' O5 b" v2 H$ i

期刊：Science of the Total Environment

影响因子：10.753

$ o4 r; a9 w. g5 {+ o9 w

发表时间：2022

9 C4 J {1 f9 o9 f7 ^# g: m$ c

样本类型：沉积物底泥

+ {7 s3 B4 T4 {: V' Z. p

客户单位：河海大学环境学院

" k! d& J( R3 O

一、研究背景

了解环境压力与湿地生态系统之间的关系，对于潮汐湿地区域的广泛开发和有效修复具有重要意义，海岸海滩的富营养化已经成为严重的生态问题，然而，沿海湿地生态系统对综合压力源的响应机制仍然不清楚。陆地和海洋交界处的微生物群落包括细菌、古细菌和微型真核生物，在潮汐沼泽的生态功能和多样性中发挥着关键作用，并可能监测潮汐湿地的生态状态。

% x. r/ F: e7 W- t% ]! a

图1 江苏沿海地区四种土地利用类型的采样点及其生态状况评估

二、实验设计

; \# b a' W; V3 K- v- q- O

在本研究中，检测了世界上最长的泥质潮间带湿地江苏沿海地区（JCA）的细菌、古细菌和微型真核生物的群落特征，以建立生物完整性的复合微生物指数（CM-IBI），并探索应力对潮间带生态状况的影响机制。

% G( m3 R, V' b0 U7 U

图2 实验设计

三、实验结果

7 Z& q; ]6 K0 d3 _' S7 G

1、随机森林CM-IBI的开发

共有201个物种（94个细菌、23个古生菌和84个微生菌）、7个耐受性和23个功能候选指标被编入候选数据库，用于开发CM-IBI。保留差异明显的11个细菌、14个古菌和22个真核生物（图3a、d和g）；删除了表现出显著相关性25个指标，共保留了12个具有高分辨能力的关键指标，用于开发子IBIs（图3b、e和h）。12个关键指标的分布频率与生态质量密切相关（图3c、f和i）。CM-IBI在评估潮间带湿地生态状况方面具有优越的能力。通过随机森林试验，确定了三个亚IBI在CM-IBI发展中的加权系数，分别为0.40、0.33和0.27，分别用于细菌、古细菌和真核生物。三种亚IBI的生态评价能力不同，在CEI中，ba-IBI表现出最高适应度（R²=0.36），其次是ar-IBI（R²=0.25）和eu-IBI（R²=0.21）（图4b）。

" j0 p n# y5 {- u6 Y5 b3 @

图3 IBI发展的指标筛选分析

图4 四种生物完整性指数（IBIs）的敏感性试验

2、不同生态状态下共现网络的结构和功能变化

( @6 a8 V) L8 D% {# D% [

共现网络是基于细菌、古生菌和微型真核生物底栖生物的OTU数据构建的。随着生态状态的退化，边缘数量、平均权重、平均聚集系数和网络密度逐渐减少，这意味着微生物之间的相互联系减弱（图5a、b和c)，物种减少与生态条件之间存在正相关关系（图5f），在不断恶化的潮间带湿地生态系统中，微生物群落对环境变化的适应能力较差，其中细菌组在网络中表现出最多的节点和度（图5e）。随着滨海湿地生态状况的恶化，三种微生物群之间的相互作用减弱，微生物生态系统的稳定性下降。

图5 三种生态状态下微生物群落的共现网络

3、影响潮间带湿地生态状况的环境因素

RDA分析表明，营养参数对微生物群落的变化有显著影响。随机森林模型用于对CM-IBI环境因素的重要性进行排序；对比23个参数的相对重要性，结果显示W-无机氮、W-TP、S-TOC、发育规模和潮间带宽度在CM-IBI下表现出最佳预测性能（图6B）。在本研究中，大多数不重要或不可用的地点位于集约农业或工业发展区，几个JCA场地面临不同程度的富营养化风险，人类对潮间带湿地的开发是营养参数变化的主要原因。

图6 JCA潮汐湿地微生物群落与环境变量的关系

4、压力因素对潮间带湿地生态系统的影响

3 a5 L/ t( c% N9 t

决策分类树模型证明了生物完整性和营养条件之间的密切关系。绝大多数含氮量小于0.67 mg/L的湿地站点表现出较好的状态，而含氮量≥ 0.67 mg/L和TP≥ 0.11mg/L的站点生态状态往往较差。无机氮作为根节点已被报道为海洋富营养化的主要驱动因素。随着营养水平的增加，网络复杂性和种间关系明显减弱表明富营养化是微生物群落稳定性降低的主要驱动因素，研究结果强调了近岸富营养化对淤泥海岸湿地微生物群落稳定性的危险。通过SEM模型分析了人类活动、环境变化和微生物完整性之间的多级关系，路径分析（图8）确定工业发展和水产养殖是沿海潮汐流中有机污染的主要原因。渔业水产养殖与潮流中的营养物质（氮和磷）具有更大的相关性，而水体和沉积物中的富营养化和有机污染导致潮流中的生态退化。总之，水产养殖和工业发展是JCA潮间带湿地主要的人为压力。

图7 不同营养条件对微生物群落完整性和稳定性的影响

图8 基于结构方程模型的人类活动、环境变化对变化和生态状态的影响路径

四、研究结论

本研究提供了一种基于三种微生物群落的潮间带湿地生态状况的有效评估方法。确定了人类活动和富营养化对生态状况的影响，以指导决策者制定沿海发展标准。

参考文献

Eutrophication dangers the ecological status of coastal wetlands: A quantitative assessment by composite microbial index of biotic integrity. Science of The Total Environment, 2022

% Y6 a3 i3 e4 Z' l3 e2 K9 ^6 v/ `% Q 3 n% Q/ W& ]4 G L3 K( }& ] , U0 j( E+ n+ B/ v0 [$ l . G' [" K7 }. O; i/ c d& O